Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý môi trường

Trong giai đoạn 1: thiết kế & chế tạo máy bay sao cho ổn định, điều khiển tốt & có khả năng mang tải; thiết kế & chế tạo các mạch điện cảm biến để thu thập dữ liệu bay; nhận dạng mô hình

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

BÁO CÁO NGHIỆM THU

(Đã chỉnh sửa theo góp ý của hội đồng nghiệm thu ngày 22/01/2010)

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHÍ CỤ BAY TỰ ĐỘNG

VÀO CÔNG TÁC QUAN TRẮC PHỤC VỤ QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: HUỲNH VĂN KIỂM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 02/ 2010

i

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

(Theo đề cương đã duyệt)

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý

và bảo vệ môi trường" được thiết lập nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khí cụ bay tự

động, mang được các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo

lộ trình lập sẵn phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên Để thực hiện được đề tài này, cần hoàn thành một khối lượng công việc khá lớn Do đó chúng tôi chia ra làm hai giai đoạn Trong giai đoạn 1: thiết kế & chế tạo máy bay sao cho ổn định, điều khiển tốt & có khả năng mang tải; thiết kế & chế tạo các mạch điện cảm biến để thu thập dữ liệu bay; nhận dạng mô hình toán học của máy bay từ dữ liệu bay; xây dựng giải thuật điều khiển bay tự động và mô phỏng trên máy tính; viết chương trình phần mềm cho trạm mặt đất; kiểm tra khả năng chụp ảnh trên không Trong giai đoạn 2, phần hiệu chỉnh các hệ thống máy bay và bay tự động sẽ được hoàn tất Trong dự án này chúng tôi chỉ thực

hiện giai đoạn 1 Giai đoạn 2 sẽ được thực hiện trong dự án khác Dự án này bao gồm các

nội dung nghiên cứu như sau:

1 Phân tích nhu cầu sử dụng khí cụ bay tự động (UAV) trong công việc quan trắc, phục vụ cho quản lý và bảo vệ môi trường Tp HCM

a Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường Tp.HCM

b Phân tích để lựa chọn lọai máy bay (MB), thông số thiết kế cần thiết cho MB

c Xác định kích thước và thông số của MB dùng trong nghiên cứu thử nghiệm

d Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh giám sát môi trường

3 Xác định các thông số ổn định và điều khiển của MB (nhận dạng hệ thống)

a Xây dựng mô hình toán cho MB với các thông số ổn định và điều khiển

b Xây dựng chương trình tính ngược (giải thuật, chương trình) các thông số ổn định

và điều khiển (stability & control derivatives) từ dữ liệu bay thử nghiệm

c Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính trên máy tính bằng phần mềm MATLAB Nhận dạng hệ thống từ dữ liệu bay thử nghiệm

4 Xây dựng chương trình điều khiển tự động MB (giai đoạn bay bằng)

a Xác định các yêu cầu bay tự động, chất lượng bay (flying qualities)

b Phân tích đặc điểm, tính năng của hệ thống tự ổn định của máy bay

c Xây dựng giải thuật điều khiển và dẫn đường

d Viết chương trình điều khiển tự động bay cho MB

e Mô phỏng, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh chương trình điểu khiển tự động bay trên máy tính bằng phần mềm MATLAB

5 Thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử cần thiết của máy bay, lập trình phần mềm theo dõi hoạt động bay

a Thiết kế các mạch điện tử thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, và mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành servo

b Xây dựng chương trình phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất Trạm mặt đất giúp cho người điều khiển có thể theo dõi tín hiệu camera, các trạng thái của máy bay trong quá trình bay thử, đánh giá được chất lượng của chương trình điều khiển

tự động và can thiệp vào điều khiển, nhiệm vụ của máy bay khi cần thiết

c Nghiên cứu truyền dữ liệu giữa MB & trạm mặt đất

Bố cục của báo cáo nghiệm thu được trình bày dưới dạng các chương, một số chương đã được báo cáo tại các hội nghị Cơ Điện Tử Toàn Quốc 2008 - Đà Nẵng, HN Cơ Học Toàn Quốc 2009 - Hà Nội, The 2009 International Forum on Strategic Technologies (IFOST2009) - TP.Hồ Chí Minh, Tạp Chí Tin Học & Điều Khiển

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA

Chương 3: Thiết kế hệ thống cảm biến đo lường trên máy bay KATA

Chương 4: Phân tích & lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến

Chương 5: Nhận dạng hệ thống máy bay từ dữ liệu bay thử nghiệm

Chương 6: Thiết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho máy bay KATA

Chương 7: Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất

Chương 8: Nghiên cứu ứng dụng camea quan trắc cho UAV

Chương 9: Thử nghiệm truyền nhận tín hiệu camera giữa máy bay & trạm mặt đất

Trong đó chương 1 sẽ giới thiệu sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học & khả năng ứng dụng Từ việc tìm hiểu nhu cầu quan trắc của Viện Tài Nguyên & Môi Trường Tp.HCM, những chuyến đi khảo sát thực tế, nhóm nghiên cứu đưa ra một số bài toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM & phân tích khả năng giải quyết bài toán của nhóm nghiên cứu Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài cũng được xác định rõ ràng

Máy bay là một trong những đối tượng nghiên cứu chính của MB, đòi hỏi phải mang được tải (máy chụp ảnh, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất không khí ), bay ổn định và tầm bay đủ lớn

để chụp ảnh trên một phạm vi rộng, có khả năng điều khiển tốt để thực hiện các thao tác trên không cũng như bay tự động theo quỹ đạo cho trước Do vậy cần phải có một thiết kế tốt cho máy bay Chương 2 trình bày các yêu cầu kỹ thuật đối với MB KATA, qui trình thiết kế & chế tạo, các đặc tính ổn định & điều khiển của MB, các bản vẽ 2D & 3D, các bảng thông số kỹ thuật & kết quả bay thử nghiệm

Để có thể điều khiển MB bay tự động thì các thông số trạng thái của MB cần được xác định Chương 3 trình bày thiết kế hệ thống cảm biến (phân tích thiết kế, lựa chọn cảm biến, thiết kế chi tiết) đo lường các thông số trạng thái của MB KATA bao gồm các cảm biến đo: vị trí (GPS), gia tốc, vận tốc góc, tốc độ gió, độ cao, từ trường (la bàn số), góc lệch của các bề mặt điều khiển Hệ thống cảm biến trên MB KATA thỏa mãn các yêu cầu cung cấp đầy đủ các tín hiệu đo thích hợp cho hệ thống điều khiển trung tâm, cung cấp dữ liệu bay thử nghiệm đủ để nhận dạng hệ thống MB, thỏa mãn yêu cầu về tổng trọng lượng và kích thước phù hợp với khả năng tải của MB, chi phí thấp

Mặc dù hệ thống cảm biến đã sử dụng các mạch lọc và mạch khếch đại analog bằng hardware, song các mạch lọc này chỉ loại được nhiễu ở một dải tần số nhất định Do vậy, các dữ liệu đo được từ hệ thống cảm biến trước khi đưa vào sử dụng cần được lọc bằng phần mềm: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc Kalman Các góc Euler của MB (Pitch, Roll, Yaw) không thể đo trực tiếp mà phải ước lượng từ các đại lượng đo lường quán tính IMU (ax, ay, az, p, q, r) kết hợp với la bàn số và GPS Thuật toán lọc Kalman được dùng để ước lượng những góc Euler này Những phân tích & lọc dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến được trình bày trong chương 4 Các kết quả lọc dữ liệu thu được từ mô phỏng Matlab, thí nghiệm trên bàn xoay 3 trục, bay thử nghiệm cũng được trình bày trong chương này Phần giới thiệu về IMU, lọc Kalman được trình bày chi tiết trong phụ lục A

Để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho MB cần phải hiểu rõ đặc tính động lực học của MB-được mô hình hóa dưới dạng hệ thống phương trình cơ học bay

lượng từ dữ liệu bay thử nghiệm bằng 2 phương pháp nhận dạng phổ biến trong hàng không là Equation Error và Maximum Likelihood Các tín hiệu cung cấp cho quá trình bay thử nghiệm là xung vuông 3-2-1-1 và tín hiệu thử tối ưu (được thiết kế bằng phương pháp quy hoạch động Bellman) Cấu trúc của mô hình toán được xác định bằng phương pháp SWR Bộ thống số MB ước lượng được cũng mô tả gần với đáp ứng động lực học của MB khi bay thử nghiệm Mô hình toán học này có thể được dùng làm căn cứ đánh giá đặc tính động lực học & điều khiển của MB khi thiết kế bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA Sau khi nhận dạng được hệ thống MB, cụ thế là bộ thông số ổn định và điều khiển của

MB, giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA được thiết kế & trình bày trong chương 6 Bộ điều khiển bay tự động gồm có 2 mode chính: mode dọc trục, mode ngang/hướng Điều khiển logic mờ điều khiển hướng của MB, giúp MB bám quỹ đạo cho trước dưới dạng điểm-điểm Điều khiển PI duy trì độ cao và vận tốc của MB khi bay tự động Giải thuật di truyền đa mục tiêu được sử dụng để thiết kế tối ưu bộ điều khiển mờ Các mục tiêu này bao gồm cực tiểu hóa sai số bám điểm, độ thay đổi góc nghiêng cánh,

độ thay đổi bề mặt điều khiển, cực đại hóa thời gian bay bằng Bộ điều khiển bay tự động được mô phỏng trên MATLAB và AeroSim cho thấy MB ổn định trong điều kiện không /có nhiễu động do gió Một số phân tích về hệ thống điều khiển bay tự động thường gặp ở

MB được trình bày trong phụ lục B

Chương 7 trình bày vai trò của trạm mặt đất đối với họat động của UAV, các yêu cầu cho việc xây dựng chương trình ở mức độ hiển thị thông số của UAV, phân tích, thiết kế và xây dựng phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất, các nghiên cứu về giao tiếp giữa phần cứng với máy tính, cổng nối tiếp RS232, giao thức của thông điệp, xử lý dữ liệu, thiết kế cấu trúc các thành phần của chương trình, mô hình ứng xử, hiển thị trực quan dữ liệu bay, thiết kế đồ họa giao diện Các yêu cầu cụ thể đặt ra đối với chương trình phần mềm của trạm: khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu từ UAV gửi về; khả năng theo dõi các trạng thái thực của UAV (cao độ, góc nghiêng, vận tốc,….); khả năng theo dõi, xác định vị trí của UAV, khả năng lưu trữ dữ liệu; khả năng trình diễn, mô phỏng lại quá trình bay Kết quả kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng (MB, trạm mặt đất) cũng được trình bày trong chương này

Nghiên cứu ứng dụng camera quan trắc cho UAV được trình bày trong chương 8 bao gồm: tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV, phân tích lựa chọn camera cho UAV, đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA, kết luận và một số kiến nghị

Chương 9 trình bày thử nghiệm việc truyền tín hiệu camera giữa MB KATA và trạm mặt đất Giới thiệu về hệ thống camera quan trắc trên MB KATA Thiết lập truyền nhận dữ liệu hình ảnh giữa MB và trạm mặt đất Một số kết quả hình ảnh camera thu được khi MB KATA bay thử nghiệm Đánh giá kết quả và một số kiến nghị

Phần kết luận của báo cáo nghiệm thu tóm tắt lại các công việc mà nhóm nghiên cứu đã hoàn thành, các kết quả & sản phẩm đạt được, một số kiến nghị & hướng phát triển

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Chapter 1: Overview Study

This subject presents a history of UAV development, UAV classification (SUAV, MALE, HALE, UCAV), fundamental structure of a UAV, UAV research and development situation in USA, Europe, Asia, Vietnam It also studies UAV’s scientific significances and applications obviously, such as: natural science (the Earth, air pollution, ocean, hurricane, water-cannon…), agriculture, forestry, search and rescue, environment and natural resource monitoring From the detailed analysis, the subject shows the necessity of UAV research and application to urban monitoring, environment and natural resource protection, traffic control Then a proposal of UAV research is described

Chapter 2: Design of KATA Airplane

Most of radio-controlled airplanes in the market are used for hobbyists These kinds of the planes have no or very small payload capacity They are only designed for aerobatic maneuvers In the project “Research and Design of Unmanned Air Vehicle to Environment Monitoring for Management and Protection”, the airplane needs to have payload capacity (such as camera, thermometer, barometer…), good stability/performance and short-to-medium range to monitor the environment Therefore, a specific airplane design is necessary KATA airplane design is based on the popular airplane design rules of Roskam and the method of estimating R/C model aerodynamics and performance (Leland M N) KATA airplane is made of composite It has speed of 85km/s, span of 2.5m, total weight of 12kg, payload of 3kg, range of 6km, endurance of 45minutes, altitude of 600m, 4-cycle engine, 2D and 3D drawings

Analysis of Flight Stability and Control for Unmanned Air Vehicle

A process of flight stability and control analysis for KATA unmanned air vehicle is presented This analysis gives important information of aircraft dynamic behavior, which

is useful in the design and analysis of flight automatic control Static stability and control analysis shows the allowable displacement of the center gravity which is also called as static margin, the magnitude of significant control and stability derivatives representing the static stability and control characteristics, such as: pitch/roll/yaw stiffness, pitch/roll/yaw damping Dynamic stability is also analyzed to determine which dynamic mode is unstable

or slight damping Aircraft modeling conducts nonlinear equations of motion These equations are frequently linearized for use in stability and control analysis by small-disturbance theory and Taylor expansion Then, eigenstructure technique is used to examine the natural frequency and damping ratio of longitudinal modes and lateral modes This paper also study commonest problems in flight dynamics, that consists of finding the motion when the laws of the forces are given and inverse problem, i.e the system and the motion are given and the law of forces have to be calculated Short-term and long-term response to actuator controls are studied in types of frequency response and step response Finding the control surface laws to achieve desired motions (turn coordination, climbing, glide, pull-up, Dutch-roll mode elimination…) is also solved

Chapter 3: Design of a measurement system for UAV

This subject presents a design of a measurement system (design analysis, sensor selection, and detailed design) for UAV that consists:

- Inertial Measurement Unit (IMU) - the main component of inertial guidance systems used in UAV IMU works by sensing motion including the type, rate, and direction of that motion, using a combination of accelerometers and gyroscopes The data collected from these sensors allows a flight controller to track a UAV's

v

- Airspeed measurement sensor: measures local airstream magnitude and angle with respect to the plane

- Altimeter sensor

- Potentiometer sensors: measure deflection angles of control surfaces

- Compass sensor: a navigational instrument for determining the direction of the UAV relative to the earth's magnetic poles

Chapter 4: Data Analysis & Filtering

Athough we used filter circuits, op-amp circuits in hardware of the measurement unit, noises are only ejected from measured data in some frequencies In order to use these measured data effectively, they must be filtered by softwares such as: low-pass filter, hight-pass filter and Kalman filter Euler angles (pich, roll, and yaw) can not be measured directly; they are estimated from data of inertial measurement unit; GPS and magnetometer Extended Kalman Filter is used to do that Data filtering program is simulated in Matlab software, verified in 3-axis rotation table experiment and flight test data

Chapter 5: Aircraft System Identification from Flight Test Data

It is necessary to understand dynamic behaviors of an aircraft when analyzing and designing its flight automatic control system Therefore, aircraft system identification is implemented to estimate aerodynamic and control derivatives from flight test data The estimation uses 2 methods: equation error and maximum likelihood method Aircraft system identification program is written in Matlab language, and then verified in Aerosonde UAV with its true aerodynamic & control derivatives This subject also presents advantages and disadvantages of each estimation method, flight test input design, optimization Newton-Raphson method Blockset AeroSim of Matlab is used to simulate the program and the model of airplane with pseudo measurement noises

Design of Optimal Inputs for Aircraft System Identification from Flight Test

Optimal inputs for aircraft (A/C) parameter estimation process are designed by using Bellman dynamic programming When using these optimal inputs, flight test data will be received with richest information So, the accuracy of estimated A/C parameters will be improved Cramer-Rao bound is considered as a measurement of these accuracies A comparison of the results with optimal inputs and conventional inputs is also presented in two estimation methods (Equation Error Method, Maximum Likelihood Method) Another interesting result is that one can design optimal inputs for MIMO system identification

Chapter 6: Design of Fuzzy Logic Controller for UAV using Multi-objective GA

Fuzzy logic controllers are ability to model nonlinear relationships of the system It has stability robustness and performance robustness in the appearance of uncertain process parameters, measurement noises, and environment disturbances It is easy for code generation Fuzzy logic algorithms are intuitively easy to understand and allow the user to encapsulate the experience of experts in an efficient manner This subject presents design

of fuzzy logic controller for UAV using multi-objective genetic algorithm for fuzzy parameter tuning

UAV tracks a given trajectory (including desired waypoints-WP) in horizontal plane by using the latitude-longitude fuzzy controller to control the heading angle with the assumption that altitude and speed are constant Heading angle is normally controlled by establishing a certain bank angle and holding that angle until the desired heading change has been achieved Airspeed and altitude of UAV may be sustained by PI controllers with the control inputs including elevator and throttle When combined, the controllers satisfy requirements of trajectory tracking in the wind gust condition, limit of servo magnitude/response rate, limit of outputs (bank angle, AOA, pitch angle)

Chapter 7: Design of a software for UAV ground control station (GCS)

Ground Control Station (GCS), one of the most important parts of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system, is used for controlling, monitoring the operation of the UAV The operator, technician, can monitor in real-time aircraft’s flight data, such as its positions, status, images, etc In case of higher requirements, GCS can modify UAV’s mission by sending command message through data link system First, this subject will introduce more detail about the role of Ground Control Station in UAV system, and requirements for designing the software for GCS to monitor UAV status Finally, it will present more about design process including analysis, modeling, and implementation the software of GCS

Chapter 8: Study of camera on environment monitoring application for UAV

Introduction to camera application in UAV Analysis of camara selection Estimation of camara deployment possibility of KATA aircraft Conclusion

Thời gian thực hiện:

Kinh phí được duyệt:

Kinh phí đã cấp: theo TB số: TB-SKHCN ngày /

xvi

2 Mục tiêu xvi

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU, KẾT QỦA VÀ THẢO LUẬN

1 Sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học và khả

năng ứng dụng

1

2 Bài toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM 13

3 Khả năng giải quyết bài toán quan trắc môi trường của đề tài 18

4 Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài 20

II Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA 22

1 Máy bay KATA và các yêu cầu kỹ thuật 22

3 Đặc tính ổn định và điều khiển của MB KATA 24

4 Kết quả bay thử nghiệm, các bản vẽ, bảng thông số kỹ thuật 30

III Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường trên MB KATA 40

1 Các đại lượng đo lường và yêu cầu đối với hế thống đo lường 40

2 Phân tích thiết kế - lựa chọn cảm biến, sơ đố nguyên lý 40

4 Thiết kế và thi công bản mạch in 51

5 Kết luận 56

IV Chương 4: Phân tích và lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống đo

lường trên MB

57

1 Các đại lường đo lường và các phép lọc được sử dụng 57

2 Thiết kế bộ lọc Kalman – giải thuật & chương trình 58

3 Kết quả thí nghiệm trên Matlab, trên bàn xoay 3 trục 61

4 Kết quả lọc dữ liệu bay thử nghiệm – nhận xét & hướn phát triển 62

V Chương 5: Nhận dạng hệ thống MB từ dữ liệu bay thử nghiệm 64

1 Vai trò của việc nhận dạng hệ thống MB 64

2 Giải thuật ước lượng các thông số ổn định và điều khiển của MB 64

3 Các kết quả mô phỏng & thực nghiệm 68

VI Chương 6: Thiết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho MB 81

1 Giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA – các yêu cầu

2 Các phân tích về hệ thống điều khiển bay tự động cho MB 81

3 Cấu trúc bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA 82

4 Kết quả tính toán, mô phỏng & nhận xét 85

VII Chương 7: Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất 93

1 Vai trò của trạm mặt đất đối với hoạt động của UAV 93

2 Phương pháp thiết kế phần mềm thu thập và hiển thị dữ liệu bay 94

3 Kết quả kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng 105

4 Kết luận & kiến nghị 106

VIII Chương 8: Nghiên cứu ứng dụng camera quan trắc cho UAV 107

1 Tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV 107

3 Đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA 119

4 Kết luận & kiến nghị 122

IX Chương 9: Thử nghiệm truyền tín hiệu camera giữa MB và tram

mặt đất

125

1 Hệ thống camera quan trắc trên MB KATA 125

3 Thử nghiệm hoạt động của hệ thống camera 128

4 Đánh giá kết quả và một số kiến nghị 131

A Khối cảm biến quán tính IMU – Bộ lọc Kalman 136

B Một số hệ thống điều khiển bay tự động thường gặp ở MB 143

C Các bài báo khoa học tham dự hội nghị, đăng trên tạp chí

(trang đầu)

149

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số (Analog Digital Converter)

Cov( ) Hiệp phương sai (Covariance)

CPU Đơn vị xử lí trung tâm (Central Processing Unit)

DGPS Hệ thống định vị toàn cầu cải chính sai phân (Differential Global

Positioning System) DIS Ổn định hóa hình ảnh bằng số (Digital Image Stabilization)

DOF Trường độ camera (khoảng cho ảnh rõ nét)

EA Giải thuật tiến hóa (Evolutionary Algorithm)

EE Phương pháp sai số phương trình (Equation Error)

E( ) Kì vọng (Expectation)

FIFO Vào đầu tiên, ra đầu tiên (First In First Out)

FIR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response)

FOV Góc mở của ống kính (field of view)

GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm)

GCS Trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station)

GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

HĐH Hệ điều hành

IIR Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response)

IMU Khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit)

INS Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System)

ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Standards Oganization)

MBMH Máy bay mô hình

MEMS Cảm biến dạng vi cơ điện tử

ML Phương pháp Maximum Likelihood

NED Hệ trục tọa độ Bắc-Đông-Hướng xuống dưới (North-East-Down)

NSGA Giải thuật di truyền xếp hạng không bị vượt trội

OIS Ổn định hóa hình ảnh bằng quang học (Optical Image Stabilization)

PC Máy tính cá nhân (Personal Computer)

PID Điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Differential)

PP Phương pháp

OPAMP Bộ khuếch đại thuật toán

RPV Máy bay điều khiển từ xa (Remotely Piloted Vehicle)

SWR Phương pháp hồi quy từng bước (Stepwise Regression)

(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)

UAV Máy bay không người lái (Unmanned Air Vehicle)

UCAV Máy bay chiến đấu không người lái (Unmanned Combat Air Vehicle)

UTC Giờ quốc tế (Coordinated Universal Time)

WP Các điểm quỹ đạo bay (Waypoint)

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Tỷ lệ các ứng dụng UAV dân sự cho các lĩnh vực 4

Bảng 1.2: Tóm tắt khả năng giải quyết các bài toán quan trắc của đề tài 0

Bảng 2.2 : Các thông số đạo hàm ổn định và điều khiển của MB KATA 24

Bảng 2.5: Các thông số cánh/thân/đuôi của MB Kata 31

Bảng 2.6: Các thông số đạo hàm khí động lực học và kích thước hình học của MB 32

Bảng 2.8: Các thông số bổ sung của MB KATA 38

Bảng 2.9: Bảng thống kê thời gian bay thử nghiệm 39

Bảng 3.1: Các loại cảm biến dùng trên máy bay KATA 42

Bảng 5.1: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 69

(tín hiệu thử xung vuông)

Bảng 5.2: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 70 (tín hiệu thử tối ưu)

Bảng 5.3: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 71

Bảng 5.4: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp 73

(tín hiệu điều khiển tối ưu)

Bảng 5.5: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 75

Bảng 5.6: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 76

Bảng 5.7: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 77

Bảng 5.8: Các thông số máy bay ước lượng bằng 2 phương pháp (tín hiệu xung vuông) 78

Bảng 6.1: Các yêu cầu đối với giải thuật điều khiển bay tự động

Bảng 6.2: Các hàm mục tiêu được sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển mờ 80

Bảng 8.1: Bảng giá trị diện tích quét của điểm ảnh của camera có tiêu cự f=3.6 mm 112

Bảng 8.2: Độ dịch chuyển của camera tương ứng với các tốc độ chụp khác nhau

Bảng 8.3: Bảng đối chiếu cường độ sáng tại các điều kiện khác nhau 116

Bảng 8.4: Ước tính các yêu cầu của hệ thống camera quan trắc đối với đề tài UAV 119

Bảng 8.5: Một số thông số thiết kế KCB liên quan đến ứng dụng quan trắc 119

Bảng 8.6: Tóm tắt một số thông số đặc tính của camera Lumix DMC – LX3 120

Bảng 8.7: Khoảng cách ngắm giới hạn của camera Lumix DMC – LX3 129

Bảng 8.8: Diện tích quét và khoảng dịch chuyển tối đa cho phép của camera Lumix DMC

– LX3 trong mỗi lần chụp theo các độ cao và góc quét khác nhau 121

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn trần bay và khoảng thời gian hoạt động của các UAVs 2

Hình 1.2: Biểu đồ dự báo chi phí phát triển UAV của châu Âu đến năm 2015 3

Hình 1.6: Diện tích đất nông nghiệp sử dụng UAV 7

Hình 1.7: Hình ảnh về Yamaha RMAX phun thuốc bảo vệ thực vật 8 Hình 1.8: Ảnh khu vực suối cạn trong Khu bảo tồn Quốc gia Volcano 9

do Bat III chụp

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống của Thales ứng dụng trong quân sự 10

Hình 1.11: Ảnh chụp về một tàu bị nạn trên biển trong điều kiện mưa,

sóng trên màn hình video trực tuyến của hệ thống WatchKeeper 11

Hình 1.12: Một ảnh hàng không (bằng UAV) chụp với công nghệ LIDAR 11

Hình 1.13: Mô hình hệ thống quản lí giao thông 12

Hình 1.14: Hình ảnh theo dõi giao thông trên các đường cao tốc 12

Hình 2.7: Góc rudder khi cua vòng 28

Hình 2.10: Đáp ứng của α đối với elevator 29

Hình 2.12: Đáp ứng của U đối với elevator 29

Hình 2.14: Đáp ứng của β đối với aileron 29

Hình 2.16: Đáp ứng của p đối với aileron 30

Hình 2.19: Đáp ứng của Φ đối với rudder 30

Hình 2.25: Kết cấu thân (composite rỗng, dày 2mm) 36

Hình 2.27: MB KATA bay thử nghiệm tại khu vực Đồng Diều trên Google Earth 36

Hình 2.28: Giản đồ hệ số lực nâng – hệ số lực cản 37

Hình 2.29: Giản đồ hệ số lực cản với (Cl - Clmin)2 37

Hình 2.30: Giản đồ lựa chọn chế độ bay tối ưu (L/D = max) 37

Hình 2.31: Giản đồ cần ga – lực đẩy ở chế độ bay 85km/h 38

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống 41

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thóng cảm biến của máy bay KATA 44

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc góc 45

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc 46

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo độ cao 47

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo góc bề mặt điều khiển 48

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý cảm biến la bàn 49

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo tín hiệu điều khiển từ xa 50

Hình 3.12: tín hiệu cần đo từ bộ điều khiển bằng tay 50

Hình 3.14: bản mạch in sau khi thi công (top view) 51

Hình 3.15: bản mạch in sau khi thi công (ISO-view) 52

Hình 3.16: Sơ đồ tổng thể hệ thống cảm biến 53

Hình 4.1: Sơ đồ thực hiện thuật toán Kalman 58

Hình 4.2: Mô hình thực hiện thuật toán ước lượng 3 góc trạng thái 59

Hình 4.3: Dữ liệu đo sau khi lọc Kalman (xanh dương: đo được, đỏ: lọc Kalman) 61

Hình 4.4: Bàn xoay 3 trục để thí nghiệm 3 góc trạng thái của MB 61

(Pitch-Roll-Yaw)

Hình 4.5: Kết quả thử nghiệm trên bàn xoay 3 trục 62

Hình 4.6: Quỹ đạo bay thử nghiệm tại khu Đồng Diều – Bình Chánh – Tp.HCM 62

Hình 5.2: Tín hiệu điều khiển của rudder, aileron và đáp ứng của MB, 68

không có gió giật

Hình 5.3: Hàm mật độ phổ của rudder và aileron dùng trong bay thử nghiệm 69

Hình 5.4: Tín hiệu điều khiển tối ưu và đáp ứng của MB, không có gió giật 70

Hình 5.5: Tín hiệu điều khiển xung vuông và đáp ứng của MB,

Hình 5.6: Tín hiệu ngõ ra đo được và ngõ ra ước lượng (stdv = 10%) – PP ML 72

Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển tối ưu và đáp ứng của MB, có gió giật 30km/h 72

Hình 5.8: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra

của MB đo được 74

Hình 5.9 : Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra

Hình 5.10: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra

Hình 5.11: Ngõ ra của mô hình nhận dạng được bằng PP ML với ngõ ra

Hình 5.12: Ngõ ra của mô hình với ngõ ra của MB đo được 78

Hình 6.1: Sơ đố khối hệ thống điều khiển bay tự động của UAV 82

Hình 6.3:Điều chỉnh góc hướng của MB thông qua góc bank 83

Hình 6.4: Các hàm thuộc của các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển mờ 83

Hình 6.5: Điều chỉnh vận tốc và độ cao của MB bằng elevator và cần ga 83

Hình 6.7: Mặt tối ưu Pareto cho bài toán tối ưu 2 mục tiêu f1, f2 84

Hình 6.8: Sơ đồ quá trình chỉnh định tối ưu các thông số của bộ điều khiển mờ

Hình 6.10: Hàm thuộc của tín hiệu vào 2 85

Hình 6.11: Hàm thuộc của tín hiệu vào 1 86

Hình 6.12: Hàm thuộc tín hiệu ra (bank) 86

Hình 6.13: Quỹ đạo bay dùng để mô phỏng 86

Hình 6.14: Quỹ đạo bay của MB khi không có gió 86

Hình 6.15: Góc nghiêng của MB – Bank angle 86 Hình 6.16: Góc điều khiển Aileron 87

Hình 6.17: Góc nghiêng & góc aileron của MB tại điểm quỹ đạo số 2 87 Hình 6.18: Độ cao của MB (trung bình là 200m) 87 Hình 6.19: Góc điều khiển elevator 87

Hình 6.20: Vận tốc của MB (trung bình là 24.5m/s) 88 Hình 6.21: Mức điều khiển cần ga (trung bình là 70%) 88 Hình 6.22: Quỹ đạo bay của MB khi có gió với vận tốc gió trung bình là 30km/h 88 Hình 6.23: Góc nghiêng của MB – Bank angle 88 Hình 6.24: Góc điều khiển Aileron 89

Hình 6.25: Góc aileron & góc nghiêng của MB tại điểm quỹ đạo số 2 89 Hình 6.26: Độ cao của MB (trung bình là 200m) 89 Hình 6.27: Góc điều khiển Elevator 89

Hình 6.28: Vận tốc của MB (trung bình là 24.5m/s) 89 Hình 6.29: Mức điều khiển cần ga (trung bình là 75%, trường hợp có gió 30km/h) 90 Hình 6.30: Cần ga & vận tốc của MB tại điểm quỹ đạo số 5 90 Hình 6.31: Lượn vòng quanh một điểm 90

Hình 6.32: Quỹ đạo bay hình số 8 90

Hình 6.33: Quỹ đạo bay ZIG-ZAG 90

Hình 6.34: Quỹ đạo bay hình răng lược 90

Hình 6.35: Sơ đồ hệ thống điều khiển bay tự động cho MB KATA 92

trên Matlab/AeroSim Hình 7.1: Sơ đồ hệ thống khí cụ bay tự động 93

Hình 7.2: Trạm mặt đất quân sự 94

Hình 7.3: Trạm mặt đất dân sự 94 Hình 7.4: Sơ đồ minh họa hệ thống phần cứng của trạm mặt đất 96 Hình 7.5: Sơ đồ Use-case của hệ thống trạm mặt đất 96 Hình 7.6: Cổng RS232 của máy tính 96

Hình 7.7: Mô hình FIFO bộ đệm của RS232 96

Hình 7.8: Cấu trúc các thành phần trong chương trình thu thập dữ liệu từ RS232 97 Hình 7.9: Mô hình trạng thái ứng xử của các thành phần 98

Hình 7.10: Các thiết bị hiển thị của buồng lái các loại máy bay 99 Hình 7.11: Cấu trúc các thành phần trong chương trình hiển thị dữ liệu bay 99 Hình 7.12: Giản đồ tuần tự mô tả việc cập nhật dữ liệu của các thành phần giao diện 100 Hình 7.13: Giao diện phần mềm trạm mặt đất do nhóm nghiên cứu thiết kế 100 Hình 7.14: Minh hoạ các góc nghiêng khi chuyển động của KCB 101

Hình 7.15: Đồng hồ góc nghiêng của máy bay Cessna 101 Hình 7.16: Giao diện đồng hồ góc nghiêng của nhóm nghiên cứu thiết kế 101 Hình 7.17: Đồng hồ vận tốc gió của máy bay thực và của thiết kế (v = 50m/s) 102 Hình 7.18: Đồng hồ cao độ của máy bay thực và của thiết kế (h = 540m) 102

Hình 7.19: Đồng hồ la bàn của máy bay thực và của thiết kế (course = 60o) 102 Hình 7.20: Bản đồ định vị của máy bay thực 103

Hình 7.21: Minh họa các lớp của bản đồ định vị 103

Hình 7.22: Bản đồ dạng hình ảnh với các tọa độ gốc đã xác định 103

Hình 7.23: Minh họa quỹ đạo đường bay thiết kế 104

Hình 7.24: Trạng thái và quỹ đạo bay thực tế 104

Hình 7.25: Kết quả cuối cùng của thiết kế bản đồ định vị 104

Hình 7.26: Quá trình truyền dữ liệu, giao tiếp máy tính và xử lý hiển thị của hệ thống 106 Hình 8.1: Sơ đồ các thành phần hệ thống khí cụ bay tự động 107 Hình 8.2: Mối quan hệ giữa lựa chọn camera và thiết kế hệ thống UAV 107

Hình 8.3: Mức độ yêu cầu về chất lượng hình ảnh đối với các loại ứng dụng 108 Hình 8.4: Một số loại camera phổ biến cho việc quan trắc trên thị trường 108

Hình 8.5: Một số thiết bị truyền nhận không dây tín hiệu video 109

Hình 8.6: Các yêu cầu đối với UAV cho hoạt động của camera quan trắc 109

Hình 8.7: Mối quan hệ giữa các đặc tính của camera và hệ thống UAV 110

Hình 8.8: Các thông số đặc tính quang học cơ bản của camera 111

Hình 8.9: Chất lượng hình ảnh tương ứng với các độ phân giải khác nhau 112

Hình 8.10: Đồ thị diện tích quét của điểm ảnh của camera có tiêu cự f=3.6 mm 112 Hình 8.11: Diện tích quét của các camera khác độ phân giải ở độ cao 500m 113

Hình 8.12: Chất lượng hình ảnh tương ứng với các tốc độ chụp ảnh khác nhau 113

Hình 8.13: Chất lượng hình ảnh tương ứng với thời gian phơi sáng khác nhau 113

Hình 8.14: Minh họa điều chỉnh khẩu độ và thời gian phơi sáng của camera 114

Hình 8.15: Đồ thị độ dịch chuyển camera theo thang đo logarit ở các tốc độ khác nhau

116

Hình 8.16: Minh họa 2 phương pháp chống rung hình ảnh Optical và Digital 117

Hình 8.17: Một số loại camera sử dụng công nghệ OIS và DIS 117

Hình 8.18: Một số loại giá treo camera chống rung 117

Hình 8.19: Sơ đồ giao tiếp truyền nhận dữ liệu từ UAV về trạm mặt đất 118

Hình 8.20: Đồ thị diện tích quan trắc của UAV dùng camera Lumix DMC – LX3

ở vận tốc 60km/h trong 45 phút 121

Hình 9.1: Sơ đồ hệ thống camera quan trắc đang được sử dụng cho MB KATA 125 Hình 9.2: Video receiver (trái) và camera tích hợp video transmitter (phải) 126

thuộc hệ thống camera không dây LYD203C

Hình 9.3: Sơ đồ cấu tạo chức năng của thiết bị thu (hình trên) 127

Và sơ đồ lắp đặt hệ thống camera (hình dưới)

Hình 9.4: Hình chụp vị trí lắp đặt camera không dây trên máy bay KATA 127

Hình 9.5: Bản đồ khu vực thử nghiệm quan trắc trích từ Google Earth 128

Hình 9.6: Kết quả video thu được từ camera trong qua trình bay thử nghiệm 130 Hình 9.7: Hình ảnh thu được trong bước đầu thử nghiệm hệ thống camera quan trắc

131

Hình 9.8: Hình ảnh mong muốn đạt được của quá trình phát triển đề tài nghiên cứu

131

QUYẾT TOÁN KINH PHÍ

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục

vụ quản lý và bảo vệ môi trường

Chủ nhiệm: HUỲNH VĂN KIỂM

Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Thời gian đăng ký trong hợp đồng: 11/2007 - 11/2008

Tổng kinh phí được duyệt: 385 triệu đồng

Kinh phí cấp giai đoạn 1: 250tr (Theo thông báo số: 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)

Kinh phí cấp giai đoạn 2: 135tr (Theo thông báo số: 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)

3 Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ,

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản

lý và bảo vệ môi trường

Chủ nhiệm đề tài: HUỲNH VĂN KIỂM

Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Thời gian thực hiện đề tài: 11/2007 - 11/2008

Kinh phí được duyệt: 385 triệu đồng

Kinh phí đã cấp: 385tr theo TB số : 206 /TB-KHCN ngày 05/11/2007)

Mục tiêu: Đề tài được thiết lập nhằm nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động, mang được

các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo lộ trình lập sẵn phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên

Nội dung nghiên cứu: (Theo đề cương đã duyệt)

Những nội dung thực hiện

TT

Các nội dung, công việc chủ yếu cần được thực hiện Đã thực hiện

3 Thiết kế mạch cảm biến đo các thông số trạng thái máy bay Đã thực hiện

4 Phân tích hệ thống điều khiển tự động, các yêu cầu

5 Lập trình mạch thu thập dữ liệu cho máy bay trên vi điều khiển ARM2138 Đã thực hiện

8 Xây dựng chương trình tính ngược các thông số ổn định và điều khiển của MB Đã thực hiện

10 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính ngược Đã thực hiện

11 Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị điện tử Đã thực hiện

12 Xây dựng giải thuật, chương trình điều khiển tự động cho MB bằng phần mềm MATLAB Đã thực hiện

13 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình điều khiển Đã thực hiện

14 Kiểm tra giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm

15 Kiểm tra hệ thống điều khiển tự động khi bay (ground test), hiệu chỉnh hệ thống Đã thực hiện

16 Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh

17 Kiểm tra, đánh giá toàn bộ HT điều khiển tự động Đã thực hiện

Sản phẩm

3 Thiết kế mạch cảm biến đo các thông số trạng thái máy bay Mạch cảm biến đo: vận tốc, gia tốc, góc nghiêng…

4 Phân tích hệ thống điều khiển tự động, các yêu cầu

5 Lập trình mạch thu thập dữ liệu cho máy bay trên vi điều khiển ARM2138 Mạch thu dữ liệu

6 Thí nghiệm khí động lực học MB Kết quả thí nghiệm

7 Xây dựng chương trình tính ngược các thông số ổn định và điều khiển của MB Chương trình tính

8 Thiết kế mạch điện điều khiển Hệ thống điều khiển tự động

9 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính ngược Các thông số của MB

10 Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị điện tử Số liệu

11 Xây dựng giải thuật, chương trình điều khiển tự động cho MB bằng phần mềm MATLAB Chương trình điều khiển

12 Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình điều khiển Kết quả mô phỏng

13 Kiểm tra giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm

14 Kiểm tra hệ thống điều khiển tự động khi bay (ground test), hiệu chỉnh hệ thống Số liệu

15 Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh

giám sát môi trường

Hệ thống chụp ảnh giám sát môi trường

16 Kiểm tra, đánh giá toàn bộ HT điều khiển tự động Máy bay

17 Viết báo cáo tổng thuật đề tài Bài báo cáo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

I Sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng

1 UAV (Uninhabited Aerial Vehicles)

Phương tiện bay không người lái còn có tên là Remotely Piloted Vehicle (RPV);

Automated/Autonomous Air Vehicle (AAV) hay Automated/Autonomous Air System (AAS)

đã được phát minh và phát triển từ những năm 1900 của Thế kỷ XX Vào năm 1916,

Lawrence and Elmer Sperry (Hoa Kỳ) đã kết hợp các thiết bị giữ thăng bằng và thiết bị lái vào

trong hệ thống lái tự động mà họ đặt tên là “Air Torpedo” Chiếc máy bay lắp đặt hệ thống

này đã bay tự động chở Lawrence Sperry trong khoảng cách 30 miles Từ thời điểm đó đến

nay, UAV đã được nhiều tổ chức khoa học, quân sự (Hoa Kỳ, Israel, Tây Âu, Liên Xô cũ)

nghiên cứu phát triển với nhiều mục đích, trong đó để phục vụ cho quân sự chiếm đa số Cuộc

chiến tranh Việt Nam và giai đoạn chiến tranh Lạnh với sự hoạt động của UAV Firebee,

Lightning Bug (do Hoa Kỳ phát triển) là một trong những mốc phát triển của UAV dùng cho

mục đích quân sự Sau các sự kiện trên, sự phát triển UAV chìm lắng và chỉ phục hồi và phát

triển nhanh và mạnh mẽ kể từ khi có cuộc chiến tranh Irac lần thứ nhất, chiến tranh chống

khủng bố của Hoa Kỳ tại Apganixtan Sự lớn mạnh của công nghệ điều khiển, truyền tin, viễn

thám là các động lực quan trọng để cho các dự án UAV phát triển nhanh và mở rộng lĩnh vực

ứng dụng trong thời gian gần đây Theo tính năng, có thể chia các UAV ra các nhóm chính

sau:

- UAV có tầm bay ngắn và trung bình – SUAVs (Short- to medium-range);

- UAV có trần bay trung bình, thời gian bay kéo dài – MALE (Medium Altitude Long

Endurance);

- UAV có trần bay cao, thời gian bay kéo dài - HALE (High Altitude Long Endurance);

- UAV chiến đấu - UCAVs (Unmanned Combat Aerial Vehicles);

Nhóm SUAVs có kích thước khoảng vài mét, tải trọng vài kg và tầm bay một vài km Nhóm

UAVs này được thiết kế và ứng dụng trong phạm vi nhỏ hẹp, không cần hạ tầng phức tạp, chỉ

một vài người điều khiển Các ứng dụng cụ thể như quan sát giao thông, đường bờ biển, kênh

rạch, hạ tầng đô thị Trị giá một hệ thống SUAVs bao gồm UAV, hệ thống điều khiển mặt

đất, các hệ thống phụ trợ có giá thành khoảng 100.000 USD

Nhóm MALE và HALE có trần bay tới 100.000 ft (ở tầng khí quyển bình lưu), thời gian hoạt

động kéo dài từ vài tuần tới 1 tháng Nhóm các UAV này sử dụng nguồn điện là pin mặt trời

Ứng dụng trong truyền thông, khảo sát khoa học khí quyển, quan trắc rừng, cháy rừng Các

dự án phát triển MALE, HALE có giá trị từ 10 – 100 triệu USD

Nhóm UCAVs được chia thành 4 nhóm nhỏ là: MAVs (Micro-Aerial Vehicles) có kích thước,

trong lượng rất nhỏ phục vụ trinh sát cá nhân; LASVs (Local Area Support Vehicles) có mục

đích trinh sát trận địa, được gắn trên các phương tiện vận chuyển quân sự, có gắn camera hồng

ngoại ; TASVs (Tactical Area Support Vehicles) có tải trọng lên đến 1.500 kg, tầm bay 300

km mang được vũ khí tấn công Điều khiển, bảo trì TASVs là một đội bay và thợ máy mặt

đất; TAVs (Theater Area Vehicles) có tải trọng đến 15.000 kg và kích thước ngang bằng một

chiến đấu cơ phản lực, có thể cất cánh từ sân bay hay tàu sân bay

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn trần bay và khoảng thời gian hoạt động của các UAVs

(Nguồn:Val Noronha, Martin Herold - University of California, Santa Barbara, 2003)

Về kỹ thuật, các UAV thông thường sẽ có các cấu phần sau:

− Bộ phận điều khiển chính – điều khiển mặt đất (Ground-station)

− Bộ phận truyền tin (Data communication)

− Bộ phận điều khiển UAVs (điều khiển vận hành và các sensor cảm biến)

Sơ đồ bố trí các thành phần như sau:

Bộ phận điều khiển, cảm biến trên UAV

Bộ phận truyền dữ liệu

Bộ phận điều

khiển mặt

đất

− Bộ phận điều khiển mặt đất: bao gồm máy tính chủ (Host PC) với chương trình phần

mềm có chức năng xử lý dữ liệu từ UAV (Target PC) qua thiết bị Data communication Host

PC phân tích dữ liệu, xác định tình trạng UAV, đưa ra các lênh điều khiển bay theo chương

trình định sẵn hay phản ứng lại với các tình trạng của UAV Sử dụng các thuật toán điều khiển

kết hợp các thuật toán máy học để đưa ra các quyết định điều khiển Mức độ thông minh của

hệ thống phụ thuộc vào chủ đích thiết kế

− Bộ phận Data communication (truyền dữ liệu): sử dụng các giải pháp sóng vô tuyến

cho tầm xa, giải pháp wireless cho khoảng cách nhỏ Bao gồm cả truyền-nhận tín hiệu điều

khiển UAV, tín hiệu cảm biến, tín hiệu của các thiết bị video, digital cúa các thiết bị chuyên

ngành gắn trên UAV Tầm hoạt động của UAV cũng phụ thuộc vào tầm xa của bộ phận

truyền-nhận tín hiệu Hiện tại, giải pháp sử dụng vệ tinh truyền-nhận tín hiệu đang được

nghiên cứu áp dụng cho nhóm MALE, HALE và đặc biệt là UCAVs

− Bộ phận điều khiển, cảm biến trên UAV: Bao gồm khá nhiều các nhóm thiết bị như: hệ

thống điều khiển trong không gian 3 chiều với 6 bậc tự do; các động cơ server điều khiển;

động cơ chính; máy tính chính trên UAV (Target PC), nhóm các thiết bị định vị/dẫn đường:

GPS/GNSS & DGPS/GPS và INS; hệ thống video và các thiết bị chuyên ngành gắn trên

UAV

Trong một báo cáo về thị trường dân sự - quân sự cho các thiết bị UAV toàn cầu vào năm

2003 cho thấy: tổng chi phí cho phát triển và mua sắm UAV cho các mục đích đã lên đến 2,3

tỷ USD, trong đó Hoa Kỳ chiếm 73% tổng chi phí Theo các dự báo, thị trường UAVs sẽ đạt

đến 4,5 tỷ USD vào năm 2015 Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực UAV của Hoa Kỳ:

Riêng với châu Âu, nhu cầu sử dụng UAV cho các mục đích dân sự ngày càng tăng, tổng chi

tiêu cho phát triển, mua sắm UAV dân sự được dự báo có thể lên đến 1 tỷ Euro vào giai đoạn

đầu của Thế kỷ XXI, riêng giai đoạn từ năm 2006 đến năm 2015 mức chi tiêu đạt từ 10 triệu

Euro (trong năm 2006) lên đến 270 triệu Euro vào năm 2015 Các công ty châu Âu giữ vai trò

quan trọng trong các dự án UAV bao gồm:

Bảng 1.1: Tỷ lệ các ứng dụng UAV dân sự cho các lĩnh vực như sau:

5 Quản lý biên giới 11

6 Quản lý ven biển - đường bờ biển 13

8 Quản lý hành chính - an ninh 3

(Nguồn: Mark Okrent, Israel Aircraft Ind, 2006)

Trung Hoa, Pakistan, Ấn Độ và đặc biệt là Israel cũng là những quốc gia có các dự án phát

triển UAV khá nổi tiếng, tuy nhiên tập trung vào nhóm UCAV và phục vụ cho các cuộc chiến

cục bộ địa phương, biên giới Về Việt Nam, vấn đề UAV được biết đến từ lâu (cuộc chiến

tranh bắn phá Bắc Việt Nam với UAV trinh sát có tên là FireBee của Không lực Hoa Kỳ), một

số UAV FireBee của Hoa Kỳ đã bị bắn rơi trong thời gian này và theo một số đánh giá thì hiệu

quả của các FireBee không cao, dẫn đến sự thiếu quan tâm phát triển UAV của Hoa Kỳ trong

thời gian sau đó

2 Tình hình nghiên cứu UAV trong nước

Trong thời gian gần đây, các đơn vị quốc phòng Việt Nam đã có một số nghiên cứu phát triển

UAV nhưng chỉ đạt mục đích làm mục tiêu di động cho pháo phòng không, tên lửa bắn tập Số

lượng các sản phẩm không nhiều Các thông tin về phát triển UAV của các đơn vị quốc phòng

Việt Nam đều không được thông tin rộng rãi Ở Việt Nam, ứng dụng UAV vào công tác bảo

vệ môi trường-tài nguyên có được nhắc đến trong một số hội thảo chuyên ngành môi

trường/sinh thái tuy nhiên đó chỉ là giới thiệu các hoạt động của các dự án ở nước ngoài Bên

cạnh đó, có một số ít cá nhân tại Tp.HCM sử dụng máy bay mô hình có gắn camera thông

thường để chụp không ảnh quang cảnh đô thị, thiên nhiên cho mục đích tạo một bộ sưu tập

ảnh nghệ thuật (đây chỉ là thú vui-giải trí) Hiện tại, chưa có cơ quan khoa học/quản lý nào

thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này

Tính kế thừa của dự án

Theo đó, việc dự án có thể học hỏi, kế thừa được từ các cuộc nghiên cứu trong nước (chủ yếu

từ các đơn vị quốc phòng) hoàn toàn hạn chế do công nghệ này thuộc lĩnh vực quân sự Hiện

nay, dự án được thực hiện phần lớn do sự tự nghiên cứu cùng với việc học hỏi từ các tài liệu

cơ bản của nước ngoài rồi phát triển vì hiện nay các công nghệ làm UAV trên thế giới vẫn

chưa được công bố chi tiết

3 Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng của UAV

Việc nghiên cứu UAV góp phần tạo nên nền tảng trong việc nghiên cứu và phát triển UAV

phục vụ cho mục đích dân sự Việc này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc hỗ trợ con người

quản lý ở nhiều lĩnh vực và đặc biệt bảo vệ chính con người (do có thể làm thay con người

trong một số trương hợp nguy hiểm) Ngoài ra, việc nghiên cứu này cũng góp phần khẳng

định khả năng nghiên cứu công nghệ cao tại môi trường Đại học, qua đó tạo thêm niềm tin và

động lực thúc đẩy việc nghiên cứu UAV cho các sinh viên thệ hệ kế tiếp

Việc nghiên cứu thành công UAV không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ

tài nguyên, môi trường như đã nêu ở phần trên mà còn được mở rộng trong nhiều lĩnh vực

khác nếu được đầu tư thêm lâu dài và đúng mức Sau đây là một số ứng dụng của UAV trong

nhiều lĩnh vực trên thế giới:

• Ứng dụng UAV trong khoa học

Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học , đặc biệt là khoa học Trái đất giữ một vai trò quan trọng

trong các ứng dụng dân sự của UAV Các lĩnh vực nghiên cứu có nhu cầu sử dụng UAV ở

mức cao (do tiết kiệm chi phí, an toàn, khả năng quan trắc/hoạt động kéo dài, áp dụng ở các

khu vực khó tiếp cận ) như các lĩnh vực khoa học sau:

− Nghiên cứu ozone tại khí quyển tầng cao (tầng bình lưu);

− Nghiên cứu mây và aerosol;

− Nghiên cứu ô nhiễm không khí tại tầng khí quyển sát mặt đất (Tropospheric);

− Nghiên cứu về bốc hơi nước, quan trắc lượng nước trong khí quyển;

− Quan trắc khoa học vùng ven biển;

− Quan trắc cháy, lan truyền ô nhiễm;

− Quan trắc tỷ lệ oxy, carbonic trong khí quyển;

− Cấu trúc, phân bố, sự che phủ thực vật;

− Nghiên cứu mây, aerosol và mưa;

− Nghiên cứu sông băng, biển băng;

− Tia điện từ, sự phân bố theo chiều cao trong khí quyển

− Độ dày của băng tại các cực;

− Ảnh quang phổ;

− Bản đồ địa hình, sự thay đổi với công nghệ viễn thám LIDAR;

− Nghiên cứu gia tốc trọng trường;

− Khảo sát Bắc cực;

− Khảo sát trường từ;

− Khảo sát đặc tính mây;

− Khảo sát dòng chảy sông;

− Khảo sát tuyết tan chảy;

− Khảo sát đất đóng băng;

− Khảo sát vi vật lý các đám mây;

− Khảo sát thời tiết;

− Nghiên cứu về hình thành bão, lốc, sét, vòi rồng;

− Nghiên cứu vật lý biển, tương tác biển-khí quyển;

Tùy theo các ứng dụng mà các nhóm UAV được sử dụng như những nghiên cứu khí quyển

tầng cao thì sử dụng các UAV nhóm MALE/HALE; nghiên cứu dòng chảy sông thì có thể sử

dụng các UAV thuộc nhóm SUAVs Một số dự án phát triển UAV cho nghiên cứu khoa học

Trái đất như sau:

- Chương trình NASA Mini-Sniffer

Mục tiêu của Chương trình là xây dựng hệ thống lấy mẫu không khí liên tục ở độ cao 70.000

ft (20 km) dựa trên một UAV thuộc nhóm HALE UAV Mini-Sniffer đầu tiên được thiết kế có

sải cánh 5,5 m, động cơ piston dùng gaseline và được mở rộng ra các phiên bản II, III với sải

cánh lên đến 6,7 m, sử dụng nhiên liệu hydrazine hoặc (NH2)2. Tuy nhiên dự án đã không đạt

được mục đích, Mini-Sniffer III chỉ lên đến được độ cao 6,1 km Do vậy NASA đã kết thúc dự

án

Hình 1.3: Hình ảnh của Mini-Sniffer III (Nguồn: http://www.vectorsite.net)

− Dự án NASA Atomics ERAST UAV (Altus)

UAV Altus có sải cánh 16,9 m, trọng lượng cất cánh là 725 kg, tải trọng là 150 kg, thời gian

bay liên tục 24 giờ, trần bay 13,7 km Sự thành công của dự án là niềm tự hào của NASA về

phát triển UAV Sau dự án, NASA đã ký hợp đồng với General Atomics để phát triển tiếp các

dự án về Predator B (một loại UCAV nổi tiếng của Hoa Kỳ)

Hình 1.4: Hình ảnh của Altus II (Nguồn: http://www.vectorsite.net)

− Dự án PathFinder & Helios/ Long Endurance UAV

UAV PathFinder có sải cánh 37 m, 2 động cơ điện và 10 cánh quạt, trọng lượng 315 kg, sử

dụng năng lượng pin mặt trời PathFinder đã phá kỷ lục thế giới về độ cao là 21,65 km vào

năm 1997 Vào năm 1998, PathFinder đã đạt độ cao 30.5 km PathFinder/Helios hiện vẫn

được phát triển và tương lại sẽ được dùng để khảo sát các hiện tượng khí quyển tầng cao (điện

từ, ozone )

Hình 1.5: Hình ảnh của NASA Helios (Nguồn: http://www.vectorsite.net)

• Ứng dụng UAV trong nông - lâm nghiệp

Trong nông nghiệp, các UAV được sử dụng đề quản lý đất nông nghiệp-lâm nghiệp, quản lý

mùa vụ, quản lý mặt nước nuôi trồng thủy sản, phụn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón lá, quản

lý cây công nghiệp chống cháy rừng (quản lý các vùng có nguy cơ cháy rừng cao, ứng cứu

sự cố cháy rừng, đánh giá hậu quả cháy rừng, thông tin liên lạc trong xử lý sự cố cháy rừng ),

bảo vệ chống khai thác trái phép gỗ lâm nghiệp

Trong lĩnh vực này UAV Yamaha RMAX của Nhật Bản đã có nhiều thành công trong thực

tiễn hoạt động Yamaha RMAX là UAV trực thăng, được phát triển, ứng dụng từ năm 1983

Yamaha RMAX có tải trọng 30 kg, thời gian bay 90 phút, bán kính hoạt động 10 km, có khả

năng làm nhiệm vụ khảo sát sử dụng đất, đánh giá độ chín của đồng lúa và các công việc đồng

áng khác Số lượng UAV Yamaha RMAX được bán ra cũng như diện tích đất nông nghiệp sử

dụng UAV ngày càng tăng Cụ thể như biểu đồ sau:

Hình 1.7: Hình ảnh về Yamaha RMAX phun thuốc bảo vệ thực vật

(Nguồn: Dr KC Wong, University of Sydney, 2001)

• Ứng dụng UAV trong bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và tài nguyên, các UAV (nhóm SUAV) tỏ rất hữu dụng với

lý do tiết kiệm, cơ động, dễ vận chuyển-vận hành Ứng dụng của UAV trong lĩnh vực này rất

rộng như:

− Quan trắc ô nhiễm không khí: một hệ thống quan trắc không khí gắn trên UAV sẽ giúp

xây dựng chi tiết bản đồ phân bố ô nhiễm không khí của một đô thị hay khu vực khá rộng

tương đương Vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam

− Quan trắc ô nhiễm nước trên sông, biển ven bờ: UAV có gắn camera chuyên dụng có

thể quan sát được dòng chảy ô nhiễm qua màu sắc, quang phổ nhiệt qua đó xác định được

nguồn phát thải, khu vực bị ảnh hưởng trực tiếp

− Quan trắc sạt lờ bờ, thay đổi đường bờ: hệ thống quan trắc ảnh hàng không gắn trên

UAV có thể giúp cho cơ quan chuyên môn xác định chính xác diễn biến thay đổi vị trí đường

bờ do thủy triều, sóng hay các vị trí sạt lở bờ, điểm bồi lắng trên sông, biển ven bờ với sự chủ

động cao (về không gian, thời gian, mức chi tiết và tiết kiệm kinh phí rất nhiều so với sử dụng

ảnh vệ tinh)

− Quan trắc hệ thống kênh, cống thoát nước: các UAV có thể bay dọc các kênh rạch

trong nội thành, quan trắc, chụp hình các vấn đề nhà cửa trên kênh, các điểm tắc nghẽn, các

cửa cống ô nhiễm thải ra kênh một cách dễ dàng, nhanh chóng, tiết kiệm mà không có phương

pháp khảo sát thực địa nào khác có thể đem lại được

− Quan trắc khu công nghiệp: quan sát khu công nghiệp từ trên cao, với lịch trình thường

kỳ ngày/tháng sẽ đem lại hiệu quả rất cao trong quản lý môi trường khu công nghiệp Các vi

phạm thải khí/khói, xả thải nước thải ra kênh rạch đều có thể bị phát hiện sớm Biện pháp này

khắc phục được nhược điểm của biện pháp thanh kiểm tra doanh nghiệp là chậm chạp, tốn

thời gian, không có tính bất ngờ, gây khó chịu cho doanh nghiệp

− Quản lý khu bảo vệ thiên nhiên (lục địa – biển): với diện tích rất rộng lớn, lại xa khu

dân cư thì việc bảo vệ các khu bảo tồn lục địa/biển rất khó khăn, sử dụng UAV cho hoạt động

canh gác, tuần tra, quan trắc hàng ngày tạo điều kiện cho cơ quan chuyên ngành quản lý kỹ

càng, hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp cũ là đi tuần, kiểm tra bằng xuồng, xe ôtô

− Theo dõi chim di cư-thú hoang: tương tự như bảo vệ khu bảo vệ thiên nhiên, sự có

mặt của con người trong khu vực hoang dã là điều không nên, sẽ gây ảnh hường tới cuộc sống

nhạy cảm của các loài hoang dã, UAV đã thực sự được ứng dụng nhiều (chụp ảnh, theo dõi)

vào trong các dự án bảo vệ, nghiên cứu di cư của động vật, chim hoang dã

− Quản lý khai khoáng (mỏ than, mỏ đá, cát trên sông ): đối với các khu mỏ khai

khoáng thì hình ảnh từ không trung sẽ có cái nhìn tổng quát về qui mô khai thác, mức độ ành

hưởng tới cảnh quan, môi trường của toàn khu vực, do vậy sử dựng UAV để quan sát, quản lý

là một lợi thế rất mạnh Đặc biệt có thể có hình ảnh hàng giờ trong các trường hợp cần kiểm

tra trong khi ảnh vệ tinh thì không đáp ứng được và giá quá đắt

− Quản lý rác đô thị: UAV với thiết bị chụp ảnh có thể xác định chính xác tình trạng xả

thải rác theo dọc các kênh hay các tuyến đường, khu dân cư qua vài vòng bay giúp cho nhà

quản lý xác định nhanh, chính xác tình trạng xả rác trong đô thị, qua đó có thể đưa ra các

quyết định điều phối các nhóm thu gom rác hoạt một cách hiệu quả nhất

− Quản lý hành chính về môi trường: các căn cứ xử phạt về môi trường sẽ vững chắc hơn

nếu có các bằng chứng bằng không ảnh thực trạng xã thải, gây ô nhiễm của các doanh ngiệp,

hộ dân cư

− Xử lý các sự cố môi trường (tràn dầu, cháy kho xăng, rò rỉ hóa chất ): đối với sự cố

môi trường thì UAV thể hiện sự hữu dụng nhất ở tính chủ động (theo dõi sự cố từ trên không

trực tiếp), tiết kiệm chi phí (giá thành bay rất thấp), dễ vận hành (chỉ cần vài người được huấn

luyện); áp dụng trong các điều kiện khó khăn mà con người không thể tiếp cận được (khí độc,

nhiệt độ cao, vị trí khó tiếp cận, nguy cơ cháy nổ cao) Sử dụng UAV rất hữu hiệu trong các

công việc ứng cứu sự cố tràn dầu sông/biển, cháy kho xăng, rò rỉ hóa chất, cháy nổ các công

trình công nghiệp/dân sự thậm chí cả trong các công tác xử lý hậu quả của thảm họa tự nhiên

(như động đất, lũ quét, lụt/ngập úng, bão, lốc, sóng thần )

Một số ứng dụng UAV trong bảo vệ môi trường-tài nguyên ở các nước trên thế giới như sau:

− Ứng dụng UAV ở Khu bảo tồn Quốc gia Volcano (Hoa Kỳ): các nhà khoa học sinh

thái thuộc Trung tâm Công nghệ và Phát triển San Dimas đã sử dụng UAV Bat III (nhóm

SUAV, do MLB Company sản xuất) để khảo sát, chụp ảnh hàng không với độ phân giải rất

cao 8cm/pixel Bat III có sải cánh 1,5m, tải trọng có ích 2kg, bán kính hoạt động: 12 km, tốc

độ trung bình: 90km/h Bat III có khả năng chụp ảnh hàng không có độ phân giải cao kèm

theo là ghi và truyền video trực tiếp về đài chỉ huy tại mặt đất Bat III được phóng lên không

trung từ một giá đỡ gắn trên xe hơi.Chi phí tất cả cho hệ thống là 42.000 USD Ảnh thu được

có giá trị cao và chi phí thấp hơn so với ảnh vệ tinh rất nhiều

Hình 1.8: Ảnh khu vực suối cạn trong Khu bảo tồn Quốc gia Volcano do Bat III chụp

Hình 1.9: Hình ảnh về Bat III

(Nguồn: Andy Horcher,Rien J.M.Visser, TT Công nghệ & Phát triển San Dimas, 2006)

− Ứng dụng UAV trong xử lý sự cố môi trường

UAV rất hữu dụng trong công tác xử lý sự cố môi trường trên đất liền và trên biển UAV có

thể thực hiện khảo sát nhanh thực trạng trong các điều kiện nguy hiểm đến sức khoẻ con người

như khí độc, cháy nổ… thời tiết xấu Ví dụ như hệ thống WatchKeeper của công ty Thales

(UK) bao gồm các giải pháp từ UAV, sensor, hệ thông truyền dữ liệu, trung tâm điều khiển…

được sử dụng đa mục đích và một trong các ứng dụng của hệ thống là phản ứng nhanh trước

các sự cố dân sự-quân sự

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống của Thales ứng dụng trong quân sự

Hình 1.11: Ảnh chụp về một tàu bị nạn trên biển trong điều kiện mưa, sóng trên màn hình

video trực tuyến của hệ thống WatchKeeper

• Ứng dụng UAV trong viễn thám, lập bản đồ

Trong lĩnh vực viễn thám, lập bản đồ, các UAV đã được ứng dụng rất rộng rải vì giá thành rẻ

hơn rất nhiều so với sử dụng máy bay dân sự để chụp ảnh hàng không

Hình 1.12: Một ảnh hàng không (bằng UAV) chụp với công nghệ LIDAR

(Nguồn: William E Roper and Subijoy Dutta, George Mason University, 2003)

• Ứng dụng UAV trong quản lý đô thị - giao thông

Trong lĩnh vực quản lý đô thị, giao thông, UAV (gắn kèm camera) được sử dụng như công cụ

điểm kẹt xe… Một hệ thống ATSS (Airborne Traffic Surveillance System) đã được xây dựng

để quản lý hoạt động giao thông trên đường cao tốc do ĐH Florida thực hiện

Hình 1.13: Mô hình hệ thống quản lí giao thông

Hình 1.14: Hình ảnh theo dõi giao thông trên các đường cao tốc

II Bài toán quan trắc môi trường ở Thành phố Hồ Chí Minh

1 Tổng quan về Thành phố Hồ Chí Minh

Ðịa hình

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Ðông Nam bộ và đồng bằng sông Cửu Long Ðịa hình tổng quát có dạng thấp dần

từ Bắc xuống Nam và từ Ðông sang Tây Nó có thể chia thành 3 tiểu vùng địa hình

Vùng cao nằm ở phía Bắc - Ðông Bắc và một phần Tây Bắc (thuộc bắc huyện Củ Chi, đông

bắc quận Thủ Ðức và quận 9), với dạng địa hình lượn sóng, độ cao trung bình 10-25 m và xen

kẽ có những đồi gò độ cao cao nhất tới 32m, như đồi Long Bình (quận 9).Vùng thấp trũng ở

phía Nam-Tây Nam và Ðông Nam thành phố (thuộc các quận 9, 8,7 và các huyện Bình Chánh,

Nhà Bè, Cần Giờ) Vùng này có độ cao trung bình trên dưới 1m và cao nhất 2m, thấp nhất

0,5m.Vùng trung bình, phân bố ở khu vực Trung tâm Thành phố, gồm phần lớn nội thành cũ,

một phần các quận 2, Thủ Ðức, toàn bộ quận 12 và huyện Hóc Môn Vùng này có độ cao

trung bình 5-10m

Nhìn chung, địa hình Thành phố Hồ Chí Minh không phức tạp, song cũng khá đa dạng, có

điều kiện để phát triển nhiều mặt

Nguồn nước và thủy văn

Về nguồn nước, nằm ở vùng hạ lưu hệ thống sông Ðồng Nai - Sài Gòn, thành phố Hồ Chí

minh có mạng lưới sông ngòi kênh rạch rất phát triển

Sông Ðồng Nai bắt nguồn từ cao nguyên Langbiang (Ðà Lạt) và hợp lưu bởi nhiều sông khác,

như sông La Ngà, sông Bé, nên có lưu vực lớn, khoảng 45.000 km2 Nó có lưu lượng bình

quân 20-500 m3/s và lưu lượng cao nhất trong mùa lũ lên tới 10.000 m3/s, hàng năm cung cấp

15 tỷ m3 nước và là nguồn nước ngọt chính của thành phố Hồ Chí Minh Sông Sài Gòn bắt

nguồn từ vùng Hớn Quản, chảy qua Thủ Dầu Một đến thành phố với chiều dài 200 km và

chảy dọc trên địa phận thành phố dài 80 km Hệ thống các chi lưu của sông Sài Gòn rất nhiều

và có lưu lượng trung bình vào khoảng 54 m3/s Bề rộng của sông Sài Gòn tại Thành phố thay

đổi từ 225m đến 370m và độ sâu tới 20m Sông Ðồng Nai nối thông qua sông Sài Gòn ở phần

nội thành mở rộng, bởi hệ thống kênh Rạch Chiếc Sông Nhà Bè hình thành từ chỗ hợp lưu

của sông Ðồng Nai và sông Sài Gòn, các trung tâm thành phố khoảng 5km về phía Ðông

Nam Nó chảy ra biển Ðông bằng hai ngả chính -ngả Soài Rạp dài 59km, bề rộng trung bình

2km, lòng sông cạn, tốc độ dòng chảy chậm; ngả Lòng Tàu đổ ra vịnh Gành Rái, dài 56km, bề

rộng trung bình 0,5km, lòng sông sâu, là đường thủy chính cho tàu bè ra vào bến cảng Sài

Gòn

Ngoài trục các sông chính kể trên ra, thành phố còn có mạng lưới kênh rạch chằng chịt, như ở

hệ thống sông Sài Gòn có các rạch Láng The, Bàu Nông, rạch Tra, Bến Cát, An Hạ, Tham

Lương, Cầu Bông, Nhiêu Lộc-Thị Nghè, Bến Nghé, Lò Gốm, Kênh Tẻ, Tàu Hũ, Kênh Ðôi và

ở phần phía Nam Thành phố thuộc địa bàn các huyện Nhà Bè, Cần Giờ mật độ kênh rạch dày

đặc; cùng với hệ thống kênh cấp 3-4 của kênh Ðông-Củ Chi và các kênh đào An Hạ, kênh

Xáng, Bình Chánh đã giúp cho việc tưới tiêu kết quả, giao lưu thuận lợi và đang dần dần từng

bước thực hiện các dự án giải tỏa, nạo vét kênh rạch, chỉnh trang ven bờ, tô điểm vẻ đẹp cảnh

quan sông nước, phát huy lợi thế hiếm có đối với một đô thị lớn

Hệ sinh thái rừng

Những năm qua, cùng với việc khoanh nuôi bảo vệ những mảnh rừng thứ sinh còn sót lại, chủ

yếu là rừng chồi quanh các khu địa đạo Bến Dược, Bến Ðình, Hố Bò ở Củ Chi, đã bước đầu

tiến hành nghiên cứu phục chế kiểu rừng kín ẩm thường xanh, trồng rừng gỗ lớn gỗ quý và

gần đây đang mở ra dự án vườn sưu tập thảo mộc, kết hợp với xây dựng hoàn chỉnh khu rừng

lịch sử Ở khu vưc đ?i Long Binh Quận 9, có dự án xây dựng khu công viên văn hóa dân tộc

với quy mô trên 400ha, trong đó việc tạo lập thảm thực vật cũng là nội dung trọng yếu

Chí Minh rất nghèo nàn Các cánh rừng Tràm tự nhiên (Melaleuca leucadendron) trên giải

diện tích rộng lớn khi xưa ở Tây Nam Củ Chi, Bình Chánh, Hóc môn, Nhà Bè, do khai thác và

canh tác của con người, nay hầu như không còn nữa, chỉ sót lại số ít rặng cây ở dạng chồi bụi,

hoặc một vài ha rừng Tràm trồng còn được bảo tồn ở Trạm thí nghiệm Tân Tạo (Bình Chánh)

Từ sau giải phóng (1975), thực hiện chủ trương dãn dân, phát triển các cụm kinh tế mới và xây

dựng các nông trường, đất phèn hoang dã được đưa vào sử dụng ngày càng nhiều Ngoài việc

mở rộng diện tích trồng lúa, mía, thơm, hoa màu và các cây ăn quả lưu niên ra, phong trào

trồng rừng và trồng cây phân tán của nhân dân đã phát triển rất mạnh, với chủ yếu hai loài cây

Bạch đàn trắng (Acasia Auriculiformis), Keo tai tượng (Acasia mangium), So đũa (Sesbania

grandiflora) Nhờ vậy, môi trường sinh thái vùng ngập phèn ngoại thành đã nhanh chóng

được cải thiện và đang từng bước trở thành trù phú

Hệ sinh thái rừng ngập mặn

Rừng ngập mặn tập trung ở huyện Cần Giờ (phía Nam Thành phố) vốn là rừng nguyên sinh,

xuất hiện đã lâu năm theo lịch sử của quá trình hình thành bãi bồi cửa sông ven biển; ưu thế

loài cây đước (Rhizophora apiculata) có kích thước lớn; với hệ thực vật khá phong phú-104

loài thuộc 48 họ Từ khi phục hồi, môi trường sinh thái vùng ngập mặn Cần Giờ được cải

thiện, chim, thú đã dần dần tái hiện, như cá sấu, khỉ, heo, chồn, cáo, trăn, rắn và hàng chục

loài chim Ðồng thời, sản lượng tôm cá vùng rừng ngập mặn cũng ngày càng nâng cao Tác

dụng to lớn của rừng ngập mặn Cần Giờ, là bảo vệ bờ lấn biển và về lâu dài, còn là giữ vai trò

"lá phổi" điều hòa khí hậu cho Thành phố, cho các vùng lân cận và tô điểm cảnh quan phục vụ

phát triển du lịch

Do có đặc điểm về địa hình, thủy văn và hệ sinh thái rừng như trên, nên hiện nay việc quản lý

môi trường thành phố liên quan đến nhiều vấn đề: sạt lở bờ sông, quan sát rừng phòng hộ, khai

thác cát trái phép v.v Đây là các vấn đề xuất hiện tại nhiều nơi như khu vực sông Đồng Nai,

khu vực huyện Cần Giờ…

Đề tài chọn Cần Giờ làm khu vực thử nghiệm

Đôi nét về Cần Giờ

Cần Giờ là một huyện ven biển nằm ở phía đông nam của Thành phố Hồ Chí Minh, cách trung

tâm khoảng 50 km Vào năm 1997, huyện có diện tích 714 km², số dân là 55.173 người, gồm

các dân tộc Kinh (80%), Khmer và Chăm Huyện Cần Giờ bao gồm thị trấn Cần Thạnh và 6

xã: Bình Khánh, An Thới Đông, Lý Nhơn, Tam Thôn Hiệp, Long Hòa và Thạnh An.Diện tích

của huyện là 704,2 km² Địa hình chia cắt bởi sông, rạch, không có nước ngọt Rừng sác và

đước, đất rừng chiếm 47,25% diện tích.Huyện Cần Giờ tiếp cận với biển Đông hiện hữu một

khu rừng ngập mặn đan xen với hệ thống sông rạch dày đặc chứa đựng các hệ sinh thái mang

tính đa dạng sinh học cao với nhiều loài động thực vật đặc hữu của miền duyên hải Việt Nam,

đó là khu rừng ngập mặn Cần Giờ.Huyện này có 69 cù lao lớn nhỏ (trích

http://vi.wikipedia.org/wiki/Huyen_Can_Gio)

Do đặc thù địa hình có nhiều sông rạch như trên nên Cần Giờ có nhiều vùng sạt lở như: Khu

vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh; khu dân cư, ấp Bình Thạnh, xã Bình Khánh; khu

dân cư rạch Bà Tùng đến cầu Bà Tổng, xã An Thới Đông; khu dân cư ấp Lý Hòa Hiệp, xã Lý

Nhơn; khu dân cư, ấp Hòa Hiệp, xã Lý Nhơn; khu vực Mương Thông, Cây Điệp và khu bao

đồng Vàm Sát (xã Lý Nhơn)

Thông tin về cơ bản về khu vực Cần Giờ

- Theo quan sát trên bản đồ, tại các khu vực sạt lở chiều dài của các đoạn kênh rạch

thường từ 3.5 km đến 5.5 km

- Tổng diện tích khu dự trữ sinh quyển rừng ngập mặn Cần Giờ là 75.740 ha, trong đó:

vùng lõi 4.721 ha, vùng đệm 41.139 ha, và vùng chuyển tiếp 29.880 ha

Nhóm nghiên cứu đã đi khảo sát thực tế tại các vùng bị sạt lở và đã ghi nhận được một số hình

ảnh:

Hình 1.16: Khu vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh

Hình 1.17: Khu vực sông Chà, ấp Bình Mỹ, xã Bình Khánh

Bên cạnh việc khảo sát các khu vực sạt lở, việc giám sát các khu rừng ngập mặn cũng là điều

đáng quan tâm Việc giám sát tổng quát và phát hiện kịp thời việc phá hoại rừng hoặc tình

trạng sinh thái rừng là điều khá khó khăn đối với một khu vực rừng ngập mặn rộng lớn như

Cần Giờ

Hình 1.18: Một góc rừng ngập mặn Cần Giờ

2 Giải quyết bài toán đặt ra

Bài toán 1: Quan sát khu vực sạt lở thông qua hình ảnh ghi được bằng camera gắn vào máy

bay quay từ trên không

Ý nghĩa: Việc quan sát các khu vực sạt lở thông qua hình ảnh ghi được từ trên không sẽ giúp

ta nhanh chóng phát hiện chính xác và đầy đủ vị trí sạt lở

Yêu cầu hình ảnh: rõ nét, thể hiện rõ hình ảnh bờ sông cần quan sát bị sạt lở

Bài toán 2: Quan sát việc khai thác cát trên sông thông qua hình ảnh ghi được và chụp được

từ trên không

Ý nghĩa: Việc quan sát khai thác cát trên sông thông qua hình ảnh ghi được từ trên không sẽ

giúp ta giám sát đầy đủ việc khai thác này

Yêu cầu hình ảnh: hình ảnh rõ

Bài toán 3: Quan sát rừng ngập mặn thông qua hình ảnh quay được và chụp được từ trên

không

Ý nghĩa: Với việc quan sát rừng bằng hình ảnh chụp từ trên không ta có thể phát hiện kịp thời

các vấn đề liên quan đến rừng như: phá hoại rừng, rừng bị sâu bệnh…Các vấn đề này nếu chỉ

dùng các phương tiện thông thường như ghe thuyền, đi bộ… sẽ khó phát hiện được hoặc

không phát hiện kịp thời

Lời giải tổng quát:

Các bài toán trên có thể được giải quyết bằng máy bay cánh bằng có gắn camera hoặc máy

chụp hình

- Đối với việc khảo sát các khu vực sông rạch sạt lở hoặc việc khai thác cát trên sông:

Việc khảo sát được thực hiện trong 1 lần hay nhiều lần bay phụ thuộc vào tầm bay của máy

bay và chiều dài của các đoạn sông rạch

- Đối với việc khảo sát rừng ngập mặn: Do diện tích rừng là rất lớn, nên các máy bay có

tầm bay, trần bay, thời gian bay càng lớn càng tốt Tùy theo thông số của máy bay ta có thể

tính toán cho bay trong nhiều lần để khảo sát hết vùng rừng cần khảo sát Tuy nhiên, trần bay

cần phải đạt tối thiểu 50m cao hơn chiều cao của cây rừng (20m -30m) khoảng 20m để đạt độ

an toàn

III Khả năng đáp ứng của đề tài

Với thông số của máy bay được thiết kế như sau:

Ta có thể thực hiện việc quan trắc môi trường của khu vực được chọn là huyện Cần Giờ với

các thông số cơ bản sau:

Quĩ Đạo

Máy bay sẽ được bay theo theo một bản đồ hình 19

Trần bay

Máy bay có thể đạt được trần bay tối đa là 200 m, tuy nhiên trần bay này có thể thay đổi phụ

thuộc vào độ phân giải hoặc độ quét của camera

Thời gian bay

Thời gian bay phụ thuộc vào lượng nhiên liệu chứa trong bình, máy bay được ước tính bay

trong khoảng 20phút và bán kính bay là 6km

Hình 1.19: Bản đồ huyện Cần Giờ

Tóm tắt khả năng giải quyết các bài toán

Bảng 1.2: Tóm tắt khả năng giải quyết các bài toán quan trắc của đề tài

Máy bay có thể bay được trong bán kính 6km, do đó việc quan sát các đoạn sông rạch có chiều dài 3.5

km đến 5.5km máy bay thực hiện được

được từ trên không

Việc khai thác và vận chuyển cát diễn ra trên các sông rạch

Máy bay có thể chụp ảnh quay phim các hoạt động diễn ra trên sông này

Máy bay có thể bay được trong bán kính 6km Vậy diện tích máy bay có thể khảo sát là 11.320 ha Với diện tích 75.740 máy bay

có thể bay khảo sát sơ bộ trong 7 lần bay

IV Phạm vi, đối tượng, nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được đề tài máy bay không người lái, cần hoàn thành công việc khá lớn Do đó

chúng tôi chia ra làm hai giai đoạn Trong giai đoạn 1: thiết kế & chế tạo máy bay sao cho ổn

định, điều khiển tốt & có khả năng mang tải; thiết kế & chế tạo các mạch điện cảm biến để thu

thập dữ liệu bay; nhận dạng mô hình toán học của máy bay từ dữ liệu bay; xây dựng giải thuật

điều khiển bay tự động và mô phỏng trên máy tính; viết chương trình phần mềm cho trạm mặt

đất; kiểm tra khả năng chụp ảnh trên không Trong giai đoạn 2, phần hiệu chỉnh các hệ thống

máy bay và bay tự động sẽ được hoàn tất Trong dự án này chúng tôi chỉ thực hiện giai đoạn 1

Giai đoạn 2 sẽ được thực hiện trong dự án khác Sau đây là những vấn đề dự án cần tập trung

giải quyết:

1 Phân tích nhu cầu sử dụng khí cụ bay tự động (UAV) trong công việc quan trắc,

phục vụ cho quản lý và bảo vệ môi trường Tp HCM

a Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường

Tp.HCM

b Phân tích để lựa chọn lọai máy bay (MB), thông số thiết kế cần thiết cho MB

c Xác định kích thước và thông số của MB dùng trong nghiên cứu thử nghiệm

d Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh giám sát môi trường

3 Xác định các thông số ổn định và điều khiển của MB (nhận dạng hệ thống)

a Xây dựng mô hình toán cho MB với các thông số ổn định và điều khiển

b Xây dựng chương trình tính ngược (giải thuật, chương trình) các thông số ổn định và

điều khiển (stability & control derivatives) từ dữ liệu bay thử nghiệm

c Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính trên máy tính bằng phần mềm

MATLAB Nhận dạng hệ thống từ dữ liệu bay thử nghiệm

4 Xây dựng chương trình điều khiển tự động MB (giai đoạn bay bằng)

a Xác định các yêu cầu bay tự động, chất lượng bay (flying qualities)

b Phân tích đặc điểm, tính năng của hệ thống tự ổn định của máy bay

c Xây dựng giải thuật điều khiển và dẫn đường

d Viết chương trình điều khiển tự động bay cho MB

e Mô phỏng, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh chương trình điểu khiển tự động bay trên máy

tính bằng phần mềm MATLAB

5 Thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử cần thiết của máy bay, lập trình phần mềm theo

dõi hoạt động bay

b) Thiết kế các mạch điện tử thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, và mạch điều

khiển các cơ cấu chấp hành servo

c) Xây dựng chương trình phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất Trạm mặt đất giúp

cho người điều khiển có thể theo dõi tín hiệu camera, các trạng thái của máy bay

trong quá trình bay thử, đánh giá được chất lượng của chương trình điều khiển tự

động và can thiệp vào điều khiển, nhiệm vụ của máy bay khi cần thiết

d) Nghiên cứu truyền dữ liệu giữa MB & trạm mặt đất

Trong quá trình họat động của MB, điều kiện khác nhau của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến

chất lượng bay Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm tác giả chưa dám đưa ra thành một nội

dung nghiên cứu, nhưng sẽ đề nghị có một đề tài bổ sung về vấn đề Điều khiển trong các điều

kiện môi trường thay đổi

II CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY KATA

I Máy bay KATA và các yêu cầu kỹ thuật

Các loại máy bay điều khiển bằng vô tuyến hiện có trên thị trường chỉ dành cho những người chơi thể thao yêu thích bộ môn máy bay Phần lớn những loại máy bay này không có hoặc ít có khả năng mang tải Chúng chỉ được thiết kế và chế tạo cho mục đích bay biểu diễn trên không Trong dự án "Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lí và bảo vệ môi trường", máy bay đòi hỏi phải mang được tải (máy chụp ảnh, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất không khí ), bay ổn định, tầm bay đủ lớn để chụp ảnh trên một phạm vi rộng Do vậy cần phải có một thiết kế riêng cho máy bay Với khả năng của nhóm nghiên cứu, việc thiết kế máy bay được thực hiện dựa trên các qui tắc thiết kế máy bay phổ biến hiện nay của Roskam, phương pháp ước lượng đặc tính khí động lực học

và tính năng cho máy bay mô hình của Leland Máy bay KATA mà nhóm thiết kế được bằng vật liệu composite, vận tốc bay 85km/s, sải cánh 2.5m, tổng trọng lượng 12kg, khả năng mang tải 3kg, tầm bay 6km, thời gian bay 45 phút, trần bay 600m, bay ổn định và điều khiển tốt, động cơ xăng

Các yêu cầu thiết kế

- Khả năng mang tải: ~ 3kg

- Vận tốc bay bằng: càng chậm càng tốt, mục đích là để quan trắc, chụp ảnh môi trường (~85km/h)

- Trần bay: ~ 600m

- Tầm bay: ~ 6km

- Thời gian bay: ~ 45 phút

- Bay ổn định và điều khiển: ổn định tĩnh và ổn định động, điều khiển tốt (phần này được phân tích chi tiết trong nội dung nghiên cứu số 3)

- Xác định được các thông số đạo hàm khí động lực học của máy bay, đặc tính động cơ: mục đích là để mô hình hóa, phân tích hệ thống điều khiển tự động và từ đó xây dựng giải thuật bay tự động cho máy bay

- Các bản vẽ cần thiết để thiết kế và chế tạo máy bay: đủ

Bảng 2.1: Yêu cầu kỹ thuật của MB KATA

STT Yêu cầu kỹ thuật

7 Thông số máy bay đầy đủ

8 Bản vẽ thiết kế và chế tạo đầy đủ

9 Khả năng dùng để bay tự động có